煤礦井下水力壓沖增透強化抽采技術試驗研究*

徐濤，馮文軍，蘇現波

(1.重慶市能源投資集團科技有限責任公司，重慶400060;2.中煤科工集團重慶研究院，重慶400037; 3.河南理工大學能源科學與工程學院，河南焦作454003)

煤礦井下水力壓沖增透強化抽采技術試驗研究*

徐濤1，馮文軍2，蘇現波3

(1.重慶市能源投資集團科技有限責任公司，重慶400060;2.中煤科工集團重慶研究院，重慶400037; 3.河南理工大學能源科學與工程學院，河南焦作454003)

∶新河煤礦為煤與瓦斯嚴重突出的基建礦井，煤層透氣性低、瓦斯含量高。采用頂板抽放巷下向穿層鉆孔進行預抽煤層瓦斯，抽采效率低，條帶消突周期長。為提高新河煤礦抽采效果，先后嘗試了水力壓裂、水力沖孔增透措施，抽采效率有所改善，但持續時間短。在現場實踐的基礎上，提出了水力壓沖一體化技術，以“水力壓裂單元增透，水力沖孔出煤卸壓”為技術思路，探討了其技術流程、卸壓增透及多級裂縫的形成機理，通過現場水力壓沖增透抽采試驗，結果表明，水力壓裂后進行水力沖孔，瓦斯涌出嚴重，平均單孔涌出瓦斯1 485 m3，是未進行水力壓裂的4.9倍，試驗后最大日抽采純量1 731 m3/d，平均623 m3/d，是試驗前的2.9倍。

∶水力壓沖;增透;多級裂隙;強化抽采

0 引言

預抽煤層瓦斯作為瓦斯治理區域措施，在不具備解放層開采的高瓦斯礦井中得到廣泛應用。為提高低透氣煤層抽采效果，國內外學者圍繞低透氣煤層增透、增流展開深入研究，并結合具體試驗條件得到水力壓裂［1-3］、水力沖孔［4］、深孔松動爆破［5］、水力割縫［6］等技術，且不同程度地提高了抽采效果，這些技術受到各自試驗條件限制，未能全面推廣應用。為盡快實現新河礦井首采工作面條帶消突，河南理工大學與焦煤集團合作，展開水力增透強化抽采試驗，并探索出適合新河礦煤層特點的“水力壓沖”增透模式，即先進行水力壓裂在煤層中產生主裂縫、降低煤體強度，后進行水力沖孔出煤卸壓、誘導鉆孔噴孔，對控制范圍內煤層充分擾動，最終在控制范圍煤層中形成多級裂隙。實踐表明，水力壓沖可大幅提高抽采效果，并適合應用于軟硬互層的單一低透氣性煤層。

1 工作面情況

新河煤礦12091首采工作面煤層傾角為11.5°～12.5°，走向長度913 m，傾向長130 m，平均煤厚6.08 m，埋深510～530 m，屬穩定煤層。原始瓦斯含量6.62～27.86 m3/t，煤層透氣性系數為0.002 MD，瓦斯壓力0.78～2.60 MPa，屬煤與瓦斯突出礦井。礦井水文地質條件復雜，受底板L8灰巖、L2灰巖、O2m灰巖等強巖溶裂隙巖承壓水威脅，首采工作面通過在頂板巖巷施工下向穿層鉆孔預抽煤層瓦斯，掩護工作面煤巷掘進。

在距煤層頂板8～12 m層位布置頂板巖巷，每隔20 m布置一個抽采鉆場，每個鉆場迎頭布置4排鉆孔，每排4個，預抽煤巷上幫30 m范圍煤層瓦斯，左右兩幫布置2排鉆孔，每排6個鉆孔，預抽煤巷下幫15 m范圍煤層瓦斯，如圖1所示。

在距煤層頂板0.4～1.2m處有連續且不穩定的軟煤發育，煤層直接頂板為泥巖、砂質泥巖，間接頂板為細、中粒砂巖(大占砂巖)，底板為灰黑色泥巖、砂質泥巖。抽放鉆孔容易發生塌孔和鉆孔變形，常規密集鉆孔抽采效率低。為盡早實現條帶消突，需要采用強化措施提高煤層透氣性。

圖1 試驗鉆場鉆孔布置圖Fig.1 Test borehole pattern

表1 主要巖石力學性能參數Tab.1 M ain performance parameters of rock mechanics MPa

2 水力壓沖增透抽采技術

2.1 水力壓沖增透機理

水力壓裂通過以大于濾失速率向煤層中注入高壓水，最終在一定的范圍煤層內形成大量裂縫，并溝通煤層原生和次生裂縫，提高煤層透氣性［7］。在煤礦井下，受到設備排量限制，不能像地面水力壓裂實現大面積增透。多數情況下，水力壓裂的結果往往僅沿著最大主應力方向產生一條主裂縫，在垂直于最大主應力方向的煤層通常得不到有效改造。這一點在現場得到驗證，主要表現為，壓裂鉆孔和最大主應力方向附近鉆孔壓裂后抽采量有明顯提高，其余鉆孔抽采量提高幅度不大，甚至較壓裂前減小。

水力沖孔利用高壓水射流的沖擊力，破壞、剝離作用范圍內的煤體，在鉆孔周圍形成大的孔洞，孔洞周圍煤體在地應力作用下向孔洞移動，煤體膨脹變形，煤體得到充分卸壓，煤層透氣性大幅度增高，促進瓦斯解吸和排放［8-9］。然而，對于硬煤或者軟硬互層的煤層，水力沖孔往往不能有效破碎煤層致使增透效果大打折扣。

水力壓沖將兩者結合起來，形成優勢互補，通過水力壓裂在煤層中形成主裂縫，形成瓦斯運移高速通道，形成單元增透，并降低煤體強度。通過水力沖孔出煤卸壓，造成孔洞周圍煤體膨脹變形，增加裂縫數目;并借助水力沖孔誘導鉆孔噴孔，其周圍裂隙在高壓瓦斯作用下產生以拉伸為主的破壞［10］，同時形成徑向引張裂隙、周緣引張裂隙、剪切裂隙和轉向裂隙。

水力壓沖最終通過“水力壓裂單元增透，水力沖孔出煤卸壓”，在作用范圍內形成多級裂隙體系，使煤層中縫網分布更加均勻，煤層透氣性得到最大程度的提高。

2.2 水力壓沖增透技術流程

水力壓沖流程如圖2所示。

圖2 水力壓沖實施工藝圖Fig.2 Hydraulic pressure implementation process

水力壓沖期間注意以下事項。

1)水力壓裂過程中，記錄施工壓力和流量，根據生成的水力壓裂曲線初步判斷水力壓裂效果;

2)水力壓裂后施工抽采鉆孔、進行臨時封孔，并測量統計各鉆孔15～30 d的抽采數據，對抽采效果不理想鉆孔進行重點分析;

3)水力沖孔期間記錄沖孔時間和單孔出煤量，并根據沖孔期間瓦斯探頭數據計算沖孔期間瓦斯噴出量;

4)水力壓沖完成后進行永久封孔，測量抽采數據，結合水力沖孔出煤量、瓦斯噴出量對水力壓沖進行效果評價，對于抽采不理想的鉆孔可采取二次沖孔，直至抽采達標。

2.3 安全保障

為保障水力壓沖安全高效實施，壓沖設備與施工地點保持不小于200m的安全距離，并有風門相隔，通過遠程操作臺進行監控和操作;壓沖期間，孔口有防護裝置，以免發生大規模的瓦斯噴孔，同時，作業地點及上下風側100 m處裝有瓦斯濃度探頭，記錄監測作業期間巷道濃度變化情況，實現風電閉鎖;作業期間，嚴禁人員進入作業地點;作業后，由瓦檢員進入測量瓦斯濃度，觀測巷道頂、底、幫的變化情況，并對異常情況及時匯報處理。

3 水力壓沖現場應用

3.1 水力壓裂過程

水力壓裂總注水量70.4 m3，作業過程中施工壓力19.7～23.2 MPa，最大壓降達到3.5 MPa，從施工曲線(圖3)中可以看出有明顯的壓降，說明在煤層經過壓裂，有裂縫產生并得到延伸。

3.2 水力沖孔過程

在17#鉆場40個孔內選7個孔進行水力沖孔，平均單孔沖出煤量1.31 t.沖孔期間孔內瓦斯急劇涌出(圖4(a))平均單孔涌出瓦斯1 485 m3，是未進行水力壓裂的4.9倍(表2)。沖孔結束后，鉆孔附近煤體得到充分卸壓，解吸后的游離瓦斯作用于煤體中的孔隙裂隙，進一步破壞煤體，并在瓦斯內能的作用下不間斷涌出(圖4(b))。

圖3 17#鉆場水力壓裂施工曲線Fig.3 Operation curve of 17#drilling fracturing

圖4 沖孔作業期間及結束后巷道瓦斯探頭檢測曲線Fig.4 Gas probe test curve during and after the punching operation

表2 水力壓沖與水力沖孔效果比較Tab.2 Com pared of hyd raulic pressure w ith hydraulic punching

3.3 瓦斯抽采效果

17#鉆場共施工瓦斯抽采鉆孔40個，水力壓裂后開始施工，從抽采數據(圖5)中可以得知，抽采初期(2012.10.10—2012.10.24)平均日抽采純量217 m3/d，試驗后(2012.11.17—2013.04.02)136 d中，最大日抽采純量1 731 m3/d，平均623 m3/d，是試驗前的2.9倍。

圖5 17#鉆場壓沖試驗前后瓦斯抽采曲線Fig.5 17#drilling gas extraction curve before and after impact test

4 結論

1)煤礦井下水力壓裂受設備排量限制，不能實現地面水力壓裂大面積增透;水力沖孔對于硬煤或軟硬互層的煤層增透效果有限;

2)水力壓沖通過水力壓裂形成主裂縫，增加瓦斯解吸面積，降低煤體強度;水力沖孔出煤卸壓，最終在控制范圍煤層中形成多級裂隙體系，實現最大程度的煤層增透、增流;

3)水力壓沖通過水力壓裂在煤層產生主裂縫，促進瓦斯解吸，再進行沖孔過程中瓦斯噴孔劇烈，平均單孔瓦斯涌出量1 485 m3，是僅進行水力沖孔的4.9倍。

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Experimental research on enhanced gas extraction application w ith hydraulic fracturing and flushing

XU Tao1，FENGWen-jun2，SU Xian-bo3

(1.Chongqing Energy Investment Group Science and Technology Co.，Ltd.，Chongqing 400060，China; 2.Chongqing Research Institute，China Coal Technology＆Engineering Group，Chongqing 400037，China; 3.School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China)

∶Xinhemine is a coal and gas outburst constructingmine，characterized as its low permeability and high gas content.When the downward borehole in the roof tunnel is used to extract gas for safety of the later coal tunneling，the extraction efficiency is low and period of eliminating outburst is long.Therefore，in order to improve the extraction effect in Xinhemine，hydraulic fracturing and hydraulic flushing are used to enhance the coal permeability，and then the extraction efficiency was increased，however，the effect can notmaintain for long time.In this paper，the authors presented hydraulic and flushing integration technology based on practice，which relies on the technical ideas of hydraulic fracturing to increase the unit permeability and hydraulic flushing to rush out coal and release the pressure.Besides，the technological processwas discussed，and the formingmechanism of pressure relief，permeability increase and multiple step fracture was clarified.The experiment of hydraulic fracturing and flushing showed that gas gushed seriously during hydraulic flushing and erupted 1 485 m3per borehole，which is4.9 times of before the hydraulic fracturing.Themaximum extraction volume of pure gas is1 731m3/d and the averageis 623 m3/d，which is 2.9 times of before the experiment.

∶hydraulic fracturing and flushing;increasing permeability;multiple step fracture;enhanced extraction

∶TD 712

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0305

∶1672-9315(2015)03-0303-04

∶2015-03-20責任編輯∶楊忠民

∶教育部高校博士點基金(20134116120006)

∶徐濤(1985-)，男，河南商水人，工程師，E-mail∶xuyoutao1985@163.com